Golang并发编程之main goroutine的创建与调度的方法是什么

2023-07-05 15:07:30 543人浏览安东尼

摘要

今天小编给大家分享一下golang并发编程之main Goroutine的创建与调度的方法是什么的相关知识点，内容详细，逻辑清晰，相信大部分人都还太了解这方面的知识，所以分享这篇文章给大家参考一下，希望大家阅读完这篇文章后有所收获

今天小编给大家分享一下golang并发编程之main Goroutine的创建与调度的方法是什么的相关知识点，内容详细，逻辑清晰，相信大部分人都还太了解这方面的知识，所以分享这篇文章给大家参考一下，希望大家阅读完这篇文章后有所收获，下面我们一起来了解一下吧。

1. 创建main goroutine

接上文，在runtime/asm_amd64.s文件的runtime·rt0_go中，在执行完runtime.schedinit函数进行调度器的初始化后，就开始创建main goroutine了。

// create a new goroutine to start program
MOVQ $runtime·mainPC(SB), AX // entry // mainPC是runtime.main
PUSHQ AX // 将runtime.main函数地址入栈，作为参数
CALL runtime·newproc(SB) // 创建main goroutine，入参就是runtime.main
POPQ AX

以上代码创建了一个新的协程（在Go中，go func()之类的相当于调用runtime.newproc），这个协程就是main goroutine，那我们就看看runtime·newproc函数做了什么。

// Create a new g running fn.// Put it on the queue of g's waiting to run.// The compiler turns a go statement into a call to this.func newproc(fn *funcval) {   gp := getg()         // 获取正在运行的g，初始化时是m0.g0   pc := getcallerpc()  // 返回的是调用newproc函数时由call指令压栈的函数的返回地址，即上面汇编语言的第5行`POPQ AX`这条指令的地址   systemstack(func() { // systemstack函数的作用是切换到系统栈来执行其参数函数，也就是`g0`栈，这里当然就是m0.g0，所以基本不需要做什么      newg := newproc1(fn, gp, pc)      _p_ := getg().m.p.ptr()      runqput(_p_, newg, true)      if mainStarted {         wakep()      }   })}

所以以上代码的重点就是调用newproc1函数进行协程的创建。

// Create a new g in state _Grunnable, starting at fn. callerpc is the// address of the go statement that created this. The caller is responsible// for adding the new g to the scheduler.func newproc1(fn *funcval, callergp *g, callerpc uintptr) *g {   _g_ := getg() // _g_ = g0，即m0.g0   if fn == nil {      _g_.m.throwing = -1 // do not dump full stacks      throw("go of nil func value")   }   acquirem() // disable preemption because it can be holding p in a local var   _p_ := _g_.m.p.ptr()   newg := gfget(_p_)  // 从本地的已经废弃的g列表中获取一个g先，此时才刚初始化，所以肯定返回nil   if newg == nil {      newg = malg(_StackMin) // new一个g的结构体对象，然后在堆上分配2k的栈大小，并设置stack和stackguard0/1      casgstatus(newg, _Gidle, _Gdead)      allgadd(newg) // publishes with a g->status of Gdead so GC scanner doesn't look at uninitialized stack.   }   if newg.stack.hi == 0 {      throw("newproc1: newg missing stack")   }   if readgstatus(newg) != _Gdead {      throw("newproc1: new g is not Gdead")   }   // 调整栈顶指针   totalSize := uintptr(4*goarch.PtrSize + sys.MinFrameSize) // extra space in case of reads slightly beyond frame   totalSize = alignUp(totalSize, sys.StackAlign)   sp := newg.stack.hi - totalSize   spArg := sp   if usesLR {      // caller's LR      *(*uintptr)(unsafe.Pointer(sp)) = 0      prepGoExitFrame(sp)      spArg += sys.MinFrameSize   }   ...}

上述代码从堆上分配了一个g的结构体，并且在堆上为其分配了一个2k大小的栈，并设置了好了newg的stack等相关参数。此时，newg的状态如图所示：

Golang并发编程之main goroutine的创建与调度的方法是什么

接着我们继续分析newproc1函数：

memclrNoHeapPointers(unsafe.Pointer(&newg.sched), unsafe.Sizeof(newg.sched))newg.sched.sp = sp // 设置newg的栈顶newg.stktopsp = sp// newg.sched.pc表示当newg运行起来时的运行起始位置，下面一段是类似于代码注入，就好像每个go func() // 函数都是由goexit函数引起的一样，以便后面当newg结束后，// 完成newg的回收（当然这里main goroutine结束后进程就结束了，不会被回收）。newg.sched.pc = abi.FuncPCABI0(goexit) + sys.PCQuantum // +PCQuantum so that previous instruction is in same functionnewg.sched.g = guintptr(unsafe.Pointer(newg))gostartcallfn(&newg.sched, fn) // 调整sched成员和newg的栈newg.gopc = callerpcnewg.ancestors = saveAncestors(callergp)newg.startpc = fn.fnif isSystemGoroutine(newg, false) {   atomic.Xadd(&sched.ngsys, +1)} else {   // Only user goroutines inherit pprof labels.   if _g_.m.curg != nil {      newg.labels = _g_.m.curg.labels   }}

以上代码对newg的sched成员进行初始化，其中newg.sched.sp表示其被调度起来后应该使用的栈顶，newg.sched.pc表示其被调度起来从这个地址开始运行，但是这个值被设置成了goexit函数的下一条指令，所以我们看看，在gostartcallfn函数中，到底做了什么才能实现此功能：

// adjust Gobuf as if it executed a call to fn// and then stopped before the first instruction in fn.func gostartcallfn(gobuf *gobuf, fv *funcval) {   var fn unsafe.Pointer   if fv != nil {      fn = unsafe.Pointer(fv.fn)   } else {      fn = unsafe.Pointer(abi.FuncPCABIInternal(nilfunc))   }   gostartcall(gobuf, fn, unsafe.Pointer(fv))}// sys_x86.go// adjust Gobuf as if it executed a call to fn with context ctxt// and then stopped before the first instruction in fn.func gostartcall(buf *gobuf, fn, ctxt unsafe.Pointer) {   sp := buf.sp   sp -= goarch.PtrSize   *(*uintptr)(unsafe.Pointer(sp)) = buf.pc // 插入goexit的第二条指令，返回时可以调用   buf.sp = sp                                 buf.pc = uintptr(fn)                     // 此时才是真正地设置pc    buf.ctxt = ctxt}

以上操作的目的就是：

调整newg的栈空间，把goexit函数的第二条指令的地址入栈，伪造成goexit函数调用了fn，从而使fn执行完成后执行ret指令时返回到goexit继续执行完成最后的清理工作；
重新设置newg.buf.pc 为需要执行的函数的地址，即fn，此场景为runtime.main函数的地址。

接下来会设置newg的状态为runnable；最后别忘了newproc函数中还有几行：

newg := newproc1(fn, gp, pc)_p_ := getg().m.p.ptr()runqput(_p_, newg, true)if mainStarted {   wakep()}

在创建完newg后，将其放到此线程的g0（这里是m0.g0）所在的runq队列，并且优先插入到队列的前端（runqput第三个参数为true），做完这些后，我们可以得出以下的关系：

Golang并发编程之main goroutine的创建与调度的方法是什么

2. 调度main goroutine

上一节我们分析了main goroutine的创建过程，这一节我们讨论一下，调度器如何把main goroutine调度到CPU上去运行。让我们继续回到runtime/asm_amd64.s中，在完成runtime.newproc创建完main goroutine之后，正式执行runtime·mstart来执行，而runtime·mstart最终会调用go写的runtime·mstart0函数。

// start this M
CALL runtime·mstart(SB)

CALL runtime·abort(SB) // mstart should never return
RET

TEXT runtime·mstart(SB),NOSPLIT|TOPFRAME,$0
CALL runtime·mstart0(SB)
RET // not reached

runtime·mstart0函数如下：

func mstart0() {   _g_ := getg() // _g_ = &g0   osStack := _g_.stack.lo == 0   if osStack { // g0的stack.lo已经初始化，所以不会走以下逻辑      // Initialize stack bounds from system stack.      // Cgo may have left stack size in stack.hi.      // minit may update the stack bounds.      //      // Note: these bounds may not be very accurate.      // We set hi to &size, but there are things above      // it. The 1024 is supposed to compensate this,      // but is somewhat arbitrary.      size := _g_.stack.hi      if size == 0 {         size = 8192 * sys.StackGuardMultiplier      }      _g_.stack.hi = uintptr(noescape(unsafe.Pointer(&size)))      _g_.stack.lo = _g_.stack.hi - size + 1024   }   // Initialize stack guard so that we can start calling regular   // Go code.   _g_.stackguard0 = _g_.stack.lo + _StackGuard   // This is the g0, so we can also call go:systemstack   // functions, which check stackguard1.   _g_.stackguard1 = _g_.stackguard0   mstart1()   // Exit this thread.   if mStackIsSystemAllocated() {      // windows, Solaris, illumos, Darwin, AIX and Plan 9 always system-allocate      // the stack, but put it in _g_.stack before mstart,      // so the logic above hasn't set osStack yet.      osStack = true   }   mexit(osStack)}

以上代码设置了一些栈信息之后，调用runtime.mstart1函数：

func mstart1() {   _g_ := getg() // _g_ = &g0   if _g_ != _g_.m.g0 { // _g_ = &g0      throw("bad runtime·mstart")   }   // Set up m.g0.sched as a label returning to just   // after the mstart1 call in mstart0 above, for use by goexit0 and mcall.   // We're never coming back to mstart1 after we call schedule,   // so other calls can reuse the current frame.   // And goexit0 does a gogo that needs to return from mstart1   // and let mstart0 exit the thread.   _g_.sched.g = guintptr(unsafe.Pointer(_g_))   _g_.sched.pc = getcallerpc() // getcallerpc()获取mstart1执行完的返回地址   _g_.sched.sp = getcallersp() // getcallersp()获取调用mstart1时的栈顶地址   asminit()   minit() // 信号相关初始化   // Install signal handlers; after minit so that minit can   // prepare the thread to be able to handle the signals.   if _g_.m == &m0 {      mstartm0()   }   if fn := _g_.m.mstartfn; fn != nil {      fn()   }   if _g_.m != &m0 {      acquirep(_g_.m.nextp.ptr())      _g_.m.nextp = 0   }   schedule()}

可以看到mstart1函数保存额调度相关的信息，特别是保存了正在运行的g0的下一条指令和栈顶地址，这些调度信息对于goroutine而言是很重要的。

Golang并发编程之main goroutine的创建与调度的方法是什么

接下来就是golang调度系统的核心函数runtime.schedule了：

func schedule() {   _g_ := getg() // _g_ 是每个工作线程的m的m0，在初始化的场景就是m0.g0   ...   var gp *g   var inheritTime bool   ...      if gp == nil {      // 为了保证调度的公平性，每进行61次调度就需要优先从全局队列中获取goroutine      // Check the global runnable queue once in a while to ensure fairness.      // Otherwise two goroutines can completely occupy the local runqueue      // by constantly respawning each other.      if _g_.m.p.ptr().schedtick%61 == 0 && sched.runqsize > 0 {         lock(&sched.lock)         gp = globrunqget(_g_.m.p.ptr(), 1)         unlock(&sched.lock)      }   }   if gp == nil { // 从p本地的队列中获取goroutine      gp, inheritTime = runqget(_g_.m.p.ptr())      // We can see gp != nil here even if the M is spinning,      // if checkTimers added a local goroutine via goready.   }   if gp == nil { // 如果以上两者都没有，那么就需要从其他p哪里窃取goroutine      gp, inheritTime = findrunnable() // blocks until work is available   }   ...   execute(gp, inheritTime)}

以上我们节选了一些和调度相关的代码，意图简化我们的理解，调度中获取goroutine的规则是：

每调度61次就需要从全局队列中获取goroutine；
其次优先从本P所在队列中获取goroutine；
如果还没有获取到，则从其他P的运行队列中窃取goroutine；

最后调用runtime.excute函数运行代码：

func execute(gp *g, inheritTime bool) {   _g_ := getg()   // Assign gp.m before entering _Grunning so running Gs have an   // M.   _g_.m.curg = gp   gp.m = _g_.m   casgstatus(gp, _Grunnable, _Grunning) // 设置gp的状态   gp.waitsince = 0   gp.preempt = false   gp.stackguard0 = gp.stack.lo + _StackGuard      ...   gogo(&gp.sched)}

在完成gp运行前的准备工作后，excute函数调用gogo函数完成从g0到gp的转换：

让出CPU的执行权；
栈的切换；

gogo函数是用汇编语言编写的精悍的一段代码，这里就不详细分析了，其主要做了两件事：

把gp.sched的成员恢复到CPU的寄存器完成状态以及栈的切换；
跳转到gp.sched.pc所指的指令地址（runtime.main）处执行。

func main() {   g := getg() // _g_ = main_goroutine   // Racectx of m0->g0 is used only as the parent of the main goroutine.   // It must not be used for anything else.   g.m.g0.racectx = 0   // golang栈的最大值   // Max stack size is 1 GB on 64-bit, 250 MB on 32-bit.   // Using decimal instead of binary GB and MB because   // they look nicer in the stack overflow failure message.   if goarch.PtrSize == 8 {      maxstacksize = 1000000000   } else {      maxstacksize = 250000000   }   // An upper limit for max stack size. Used to avoid random crashes   // after calling SetMaxStack and trying to allocate a stack that is too big,   // since stackalloc works with 32-bit sizes.   maxstackceiling = 2 * maxstacksize   // Allow newproc to start new Ms.   mainStarted = true   // 需要切换到g0栈去执行newm   // 创建监控线程，该线程独立于调度器，无需与P关联   if GOARCH != "wasm" { // no threads on wasm yet, so no sysmon      systemstack(func() {         newm(sysmon, nil, -1)      })   }   // Lock the main goroutine onto this, the main OS thread,   // during initialization. Most programs won't care, but a few   // do require certain calls to be made by the main thread.   // Those can arrange for main.main to run in the main thread   // by calling runtime.LockOSThread during initialization   // to preserve the lock.   lockOSThread()   if g.m != &m0 {      throw("runtime.main not on m0")   }   // Record when the world started.   // Must be before doInit for tracing init.   runtimeInitTime = nanotime()   if runtimeInitTime == 0 {      throw("nanotime returning zero")   }   if debug.inittrace != 0 {      inittrace.id = getg().goid      inittrace.active = true   }   // runtime包的init   doInit(&runtime_inittask) // Must be before defer.   // Defer unlock so that runtime.Goexit during init does the unlock too.   needUnlock := true   defer func() {      if needUnlock {         unlockOSThread()      }   }()   gcenable()   main_init_done = make(chan bool)   if iscgo {      if _cgo_thread_start == nil {         throw("_cgo_thread_start missing")      }      if GOOS != "windows" {         if _cgo_setenv == nil {            throw("_cgo_setenv missing")         }         if _cgo_unsetenv == nil {            throw("_cgo_unsetenv missing")         }      }      if _cgo_notify_runtime_init_done == nil {         throw("_cgo_notify_runtime_init_done missing")      }      // Start the template thread in case we enter Go from      // a C-created thread and need to create a new thread.      startTemplateThread()      cgocall(_cgo_notify_runtime_init_done, nil)   }   doInit(&main_inittask) // main包的init，会递归调用import的包的初始化函数   // Disable init tracing after main init done to avoid overhead   // of collecting statistics in malloc and newproc   inittrace.active = false   close(main_init_done)   needUnlock = false   unlockOSThread()   if isarcHive || islibrary {      // A program compiled with -buildmode=c-archive or c-shared      // has a main, but it is not executed.      return   }   fn := main_main // make an indirect call, as the linker doesn't know the address of the main package when laying down the runtime   fn() // 执行main函数   if raceenabled {      racefini()   }   // Make racy client program work: if panicking on   // another goroutine at the same time as main returns,   // let the other goroutine finish printing the panic trace.   // Once it does, it will exit. See issues 3934 and 20018.   if atomic.Load(&runningPanicDefers) != 0 {      // Running deferred functions should not take long.      for c := 0; c < 1000; c++ {         if atomic.Load(&runningPanicDefers) == 0 {            break         }         Gosched()      }   }   if atomic.Load(&panicking) != 0 {      gopark(nil, nil, waitReasonPanicWait, traceEvGoStop, 1)   }   exit(0)   for {      var x *int32      *x = 0   }}

runtime.main函数的主要工作是：